Калибровочные бозоны

Объединение взаимодействий

    Одной из важных особенностей физики элементарных частиц на начальном этапе было различие между различными типами взаимодействий. Оказалось, что существует всего четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
    Электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие можно описать с помощью обмена квантами соответствующих полей - фотонами (γ-квантами) и глюонами. Фотоны и глюоны являются калибровочными бозонами электромагнитного и сильного полей.
    Гипотеза о том, что слабое взаимодействие также обусловлено обменом некоторой заряженной частицей было выдвинута Юкавой еще в тридцатых годах. Завершение эта идея получила в рамках единой теории, связывающей электромагнитные и слабые взаимодействия, развитой в работах С. Вайнберга, А. Салама и Ш. Глэшоу.
    В этой теории, которая носит название "стандартная модель", предсказывается существование тяжелых заряженных бозонов W⁺ и и нейтрального бозона Z⁰ со спином 1, обмен которыми и обуславливает слабое взаимодействие. В теории возникает также безмассовое векторное поле, отождествляемое с электромагнитным полем.
    В стандартной модели считается, что частицы приобретают массу в результате механизма Хиггса. Поле Хиггса заполняет все пространство, и все частицы приобретают массу при взаимодействии с ним. Квантами поля Хиггса является бозон Хиггса. Считается, что хиггсовский бозон имеет нулевой спин. Масса его по экспериментальным оценкам должна быть больше 5 ГэВ.
    В этой модели распад нейтрона

np + e^- + _e

Рис. 17 Диаграмма распада d-кварка

на кварковом уровне выглядит как бы проходящим в два этапа (рис.17). На первом этапе происходит превращение d-кварка в u-кварк и -бозон

du + W^{^-}

на втором W^{^-}-бозон распадается, превращаясь в электрон и антинейтрино

W^{^-} e^- + _e.

По аналогии с сильным взаимодействием члены одного семейства, порождаемые или -бозоном объединяются в слабые левоспиральные изоспиновые дублеты

со слабым изоспином T = 1/2, которым приписываются значения T₃ = +1/2 (_e,u) и T₃ = -1/2 (e,d). У антифермионов проекции слабого изоспина имеют противоположные знаки.
Слабые взаимодействия с изменением заряда (заряженные токи) описываются состояниями и . Они происходят с испусканием или поглощением W^{^-} или W⁺-бозонов. Слабые процессы с участием Z⁰-бозона были названы процессами с нейтральными слабыми токами.
Таким образом в модели Вайнберга - Салама W^{^-}, W⁺, Z⁰-бозоны и -квант являются квантами единого электрослабого поля. Стандартная модель, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия, предсказывает связь между константами электромагнитного и слабого взаимодействий и соотношение между массами заряженных и нейтральных бозонов:

, ,

где - угол Вайнберга. Извлеченная из экспериментов величина .
Обнаружение в 1973 г. слабых нейтральных токов явилось ярким подтверждением правильности стандартной модели, в которой были предсказаны значения масс промежуточных бозонов - m(Z⁰) ~90 ГэВ ; m(W⁺,W^{^-}) ~80 ГэВ
Единственный практически реальный способ получения частиц такой массы состоял в том, чтобы сталкивать протонные и антипротонные пучки. Эксперимент был выполнен в 1983 году на pp-коллайдере ЦЕРН

p + W^+(-) + X,

p + Z⁰ + X,

где X - все другие частицы, образующиеся в результате столкновения протона и антипротона. Бозоны идентифицировались по распадам

W^+(-)e^+(-) + _e(_e),

Наблюдаемые в результате реакции заряженные лептоны с большими значениями поперечных импульсов служили доказательством образования бозонов. Полученные экспериментально значения масс бозонов (m^эксп(W⁺,W^{^-}) = (81 + 2) ГэВ, m^эксп(Z⁰) = (93 + 2) ГэВ) находились в очень хорошем согласии со стандартной теорией. Между открытием нейтральных токов и наблюдением векторных бозонов прошло 10 лет.
В стандартной модели лептоны и кварки группируются в левоспиральные дублеты - поколения.

1 поколение	2 поколение	3 поколение

Заряженные токи в лептонных процессах получаются при движении по столбцам. Переходов между поколениями лептонов до сих пор не наблюдалось, что зафиксировано в законе сохранения лептонных зарядов , и . Константы этих слабых процессов одинаковы или пока не различимы. Заряженные токи в процессах с кварками возможны не только при движении по столбцам, но и между поколениями, т.е. слабое взаимодействие смешивает кварки. Но слабые константы кварковых процессов

du + W^{^-} и su + W^{^-}

Рис. 18. Угол Кабиббо

отличаются друг от друга и от констант лептонных процессов. Казалось, что универсальность слабого взаимодействия нарушается. Однако оказалось, что эти константы можно связать между собой. Это уже в 1963 году было сделано Н. Кабиббо, который для связи констант -распада и распада странных частиц ввел параметр - угол Кабиббо (рис.18). Универсальность слабого взаимодействия была сохранена. Но открытие нейтральных слабых токов поставило новую проблему - теория Кабиббо в этом случае предсказывает наличие нейтральных токов с изменением странности, что резко противоречит эксперименту. Для выхода из этого затруднения Глэшоу, Илиопулос и Майани ввели 4-ый кварк с тем же зарядом, что и u-кварк .Для четырехкварковой схемы столбцы для кварков записываются следующим образом (Когда Кабибо предложил свою параметризацию кварковой модели еще не было. )

При этом предсказывается, что основными каналами распада очарованных кварков являются каналы и , вероятность этих распадов пропорциональна , и подавлены каналы и , вероятность которых пропорциональна . В 1973 году М. Кобаяши и Т. Маскава обобщили подход Кабиббо на шестикварковую схему. Это минимальная по числу кварков модель, в которой, наряду с тремя углами смешивания можно ввести фазу , описывающую нарушение СР-инвариантности. Смешивание трех поколений кварков описывается матрицей Кабиббо-Кобаяши- Маскавы

где элементы матрицы - комбинации синусов и косинусов углов поворота. Например, первый элемент это - произведение . Современные оценки углов: ~13⁰, ~2⁰, ~0.1⁰. Так как отличается от единицы только в шестом знаке после запятой, результаты, полученные в четырехкварковой схеме, сохраняются.
    Для определенных таким образом d', s', b'-кварков константа слабого взаимодействия имеет одинаковое значение для лептонных и кварковых семейств.
    Смешивание поколений кварков стимулировало интерес к проблеме осцилляций и смешивания нейтрино. Существует ли смешивание поколений лептонов?
    До сих пор говорилось об объединении электромагнитных и слабых взаимодействий. Начав с четырех взаимодействий и создав теорию электрослабых взаимодействий, физики свели их число к трем. Нельзя ли сделать следующий шаг, объединив электрослабое взаимодействие с сильным? Сильное взаимодействие проявляется между кварками, а слабое между лептонами и кварками. В результате слабых взаимодействий один тип кварков может превращаться в другой

du + e^-+_e.

Слабые взаимодействия приводят к распаду и -лептонов. Так мюон распадается, превращаясь в электрон и нейтрино и антинейтрино

^- + e^-+_e.

Модели, в которых рассматривается объединение электрослабого и сильного взаимодействий, называются Великим объединением. В основе Великого объединения лежит гипотеза, что сильное и электрослабое взаимодействия являются низкоэнергетичными компонентами одного и того же калибровочного взаимодействия, описываемого единой константой. Наблюдаемые на опыте константы взаимодействий сильно различаются при энергии ~ 1 ГэВ и зависят от расстояния. Предполагается, что на расстоянии ~ 10^-28 см константы становятся одинаковыми. Согласно простейшей модели Великого объединения, сильное и электрослабое взаимодействия объединяются при энергии ~10¹⁵ ГэВ. В лабораторных условиях вряд ли достижимы такие энергии. Однако есть явление, которое следует из такой объединенной теории. В этой модели протон должен быть нестабильной частицей, правда, с большим временем жизни. Если сильное и электрослабое взаимодействия являются разными проявлениями более общего взаимодействия, то кварки и лептоны должны быть компонентами одного и того же мультиплета. Следовательно, возможны процессы, в которых кварки могут превращаться в лептоны. Это значит, что протон, состоящий из кварков, не может быть абсолютно стабильным, а может распадаться, превращаясь в более легкие частицы. Например, возможны распады

p + e⁺,
p⁺+.

По оценкам в рамках единой теории сильных и электрослабых взаимодействий время жизни протона ~10³² лет. В настоящее время ведутся интенсивные эксперименты по поиску нестабильности протона.
Еще одним кандидатом на единую теорию являются суперсимметричные теории. В этих теориях фермионы имеют суперпартнеров, которые должны быть бозонами, а бозоны - суперпартнеров, которые должны быть фермионами. В суперсимметричных теориях постулируется существование операторов , которые переводят бозоны |b> в фермионы |f>

|b> = |f>.

Сопряженные операторы превращают фермионы в бозоны. Оператор оставляет неизменными все квантовые числа частицы, за исключением спина. На поиск суперсимметричных партнеров направлен целый ряд экспериментов на действующих и строящихся коллайдерах.
Переносчиком гравитационного взаимодействия в квантовой теории гравитации считается - гравитон - безмассовая частица со спином 2. Гравитационное взаимодействие универсально. В нем участвуют все частицы.
Предпринимаются попытки объединенного описания всех четырех фундаментальных взаимодействий, основанные на концепции суперсимметрии. Подобные схемы называются расширенной супергравитацией. Согласно этим теориям интенсивность гравитационного взаимодействия должна сравниваться с интенсивностью объединенных взаимодействий при энергиях близких к массе Планка

m_p (ћc/G)^1/2 1.2·10¹⁹ ГэВ/c².

Характерные размеры, соответствующие массе Планка ~10^-33 см.